包括開放式風扇在內的新型推進系統可進一步提升下一代飛機的燃油效率?？湛团c發動機合作伙伴CFM國際正在測試開放式風扇驗證機(隸屬于CFM的RISE-Revolutionary Innovation for Sustainable技術驗證項目)，以研究其氣動外形、噪聲特征及系統集成便利性。

新一代飛機推進系統對航空業實現2050年凈零排放目標至關重要。開放式風扇發動機架構正是其中一項前景廣闊的技術，它結合了渦輪螺旋槳發動機的燃油經濟性與渦輪風扇發動機的性能速度優勢。在實際飛行測試前，空客與發動機合作伙伴CFM正在對開放式風扇驗證機進行風洞試驗，以評估其空氣動力學與聲學表現。

支持替代能源兼容

設計未來空客飛機的第一步是降低油耗。改進空氣動力學能帶來巨大貢獻，但推進系統同樣能產生重大影響。當需要在開放式風扇與其競爭對手超高涵道比渦扇發動機之間做選擇時，前者的空氣動力學特性、噪音表現以及易集成性都將成為決定性因素。

為此，過去三年來空客的合作伙伴CFM（GE航空航天與賽峰飛機發動機公司合資企業）一直通過其RISE技術驗證項目（可持續發動機革命性創新計劃）研發開放式風扇驗證機。

RISE項目旨在將燃料消耗與二氧化碳排放量較當今最高效發動機降低20%以上，并測試包括可持續航空燃料(SAF)和氫能在內的替代能源兼容性。該計劃獲得了歐洲清潔航空框架、法國民航局(DGAC)及法國民航委員會CORAC的資金支持。

風洞測試可提供高精度數據

空中客車已與CFM公司合作評估開放式風扇在未來飛機上的應用潛力。在啟動飛行測試前，需通過風洞測試驗證開放式風扇架構及其與飛機的集成效果。本階段測試采用兩種"最小機體模型"：1:5.5比例模型用于高速測試，1:7比例模型用于低速測試。

每款模型都會進行單獨測試以及與縮比機翼的聯合測試，以評估兩者的相互作用。低速模型還會額外測試襟翼、縫翼等高升力裝置。測試分別在法國航空航天實驗室ONERA（高速）和位于荷蘭的德荷聯合風洞DNW（低速）進行，兩者都能提供極高精度的數據。

高速測試于2024年初在ONERA進行。這些測試收集了實驗數據，使研究人員能夠研究模型的安裝效應和螺旋槳性能。隨后，從2024年9月至11月底在DNW進行了模擬起飛和降落的測試。這些測試重點關注開放式風扇的空氣聲學性能及其與高升力裝置的交互作用。

由于開放式同人發動機未采用導管設計（即省去了傳統噴氣發動機的外罩），要在發動機及飛機層面應對其更大轉子葉片產生的噪音，需依賴創新設計選擇與新技術。盡管如此，這些發動機仍須符合聲學監管與認證要求。

進入飛行測試階段

經過500多小時的測試，這輪"最小機體"試驗——僅是第一階段——即將結束。下一步將使用1:11(高速)和1:14(低速)全機模型，評估開放式風扇推進系統對飛機性能的影響。這些模型將于2026年在法國航空航天研究院(ONERA)的高速風洞和空中客車公司位于英國菲爾頓的低速測試設施中進行試驗。目前模型的設計制作工作已在推進中。

本十年末將迎來開放式風扇測試的全面實踐，屆時一臺功能完備的發動機將被安裝在一架空客A380飛行試驗機上，從法國圖盧茲基地展開測試。為適配該發動機而進行的飛機改裝工作已經啟動。

什么是風洞測試？

風洞測試對于驗證數字化模擬和建模至關重要。通過向縮比模型吹送氣流，工程師能夠觀察并測量升力與阻力的大小，同時評估飛行器的穩定性和操控能力。

這有助于他們在建造昂貴的大型原型機之前，識別潛在的設計缺陷并優化飛機外形，以提高性能和燃油效率。風洞模擬了各種飛行條件，幫助確保飛機能夠應對不同速度、高度甚至惡劣天氣，最終使空中飛行更加安全。

CFM RISE計劃正推動開放式風扇技術實現燃油效率提升20%并降低排放。由通用電氣和賽峰聯合研發的下一代發動機將整合混合動力系統、可持續航空燃料兼容性及空客A380飛行測試，塑造航空業的凈零未來。

如今的噴氣發動機堪稱航空領域最強大也最高效的機械杰作，通過輕質材料與先進設計的完美結合，以相對較低的成本實現了卓越性能。但隨著航空業面臨實現凈零排放的壓力，傳統發動機結構的極限正面臨嚴峻考驗。

CFM國際公司的革命性可持續發動機創新(RISE-Revolutionary Innovation for Sustainable)計劃旨在突破這些限制。作為GE航空航天與賽峰飛機發動機公司各持股50%的合資項目，RISE正開發開放式風扇推進技術，目標是與當前發動機相比降低20%的燃油消耗和碳排放，計劃于2030年代中期投入使用。

除了開放式風扇設計，RISE項目還將推出一系列突破性技術，包括緊湊型高壓核心機、混合電力系統以及對可持續航空燃料的兼容性。截至目前，該項目已通過多個技術驗證機完成了350多個組件和模塊測試。

CFM RISE開放式風扇發動機技術

提升推進效率是RISE計劃成功的關鍵。從單軸發動機到高涵道比涵道風扇的演進，最終催生了開放式風扇概念。與傳統的涵道風扇發動機不同，開放式風扇設計移除了外部機匣，使更大尺寸的風扇設計成為可能。

通過風扇的氣流質量流量增加，使發動機效率大幅提升。更高的涵道比（即繞過發動機核心的氣流與通過核心的氣流之比）顯著降低了燃油消耗和噪音排放。

每片風扇葉片長度超過1.6米，由賽峰復合材料公司通過其創新平臺采用先進的3D樹脂傳遞模塑(RTM- Resin Transfer Moulding)技術制造。該復合材料技術已在CFM LEAP風扇葉片上得到驗證，可顯著減輕重量并提高燃油效率。

緊湊型高壓核心及混合動力系統

作為CFM RISE項目的核心驗證機組成部分，GE航空航天正在開發一種緊湊耐用的高壓核心（包括壓氣機、燃燒室和渦輪）。今年5月，該公司完成了高壓渦輪葉片技術的耐久性測試，模擬大推力起飛和爬升工況。超過3000次循環的耐久性測試驗證了該高壓渦輪系統的耐用性、可靠性和燃油效率。

GE Aerospace未來飛行工程副總裁赫格曼(Arjan Hegeman)表示："通過對新型高壓渦輪葉片冷卻技術進行耐力測試，表明CFM RISE項目早期就關注耐久性和可靠性。這是我們首次在新技術開發階段如此早地進行耐久性測試，融入了當今商用飛機發動機飛行積累的經驗值。"

RISE項目的另一個關鍵目標是機身集成。除了高效材料和推進系統效率外，發動機機翼集成及由此帶來的空氣動力學性能也至關重要。通過與飛機制造商合作，將對這一先進架構的裝機性能進行測試。

CFM RISE項目的測試里程碑

RISE計劃旨在展示開放式風扇發動機技術，為未來引擎奠定基礎。2022年，CFM與空客聯合啟動了飛行測試驗證項目，將在A380測試平臺上推進先進開放式風扇的測試工作。

兩家公司旨在加速推進推進技術的研發，同時加強機身集成度。

預計于本年代末啟動的飛行測試項目，還將重點關注發動機的聲學表現及其與100%可持續航空燃料(SAF- Sustainable Aviation Fuels)的兼容性。

開放式風扇架構設計飛行速度與現有商用飛機相當，但運行效率更高、碳排放與噪音水平更低。隨著技術不斷成熟，CFM RISE項目將聯合航空合作伙伴開展全面開放式風扇測試。

想象一臺拆除外殼的噴氣發動機，巨大的扇葉如同安裝在機翼前方的超大螺旋槳，在露天環境中自由旋轉。這些裸露的葉片劃出優美弧線，標志著對噴氣發動機工作原理的徹底革新。

它們或許還代表著噴氣發動機的未來，有望大幅提升航空旅行效率，影響飛行器設計，并為自噴氣時代初期以來變化甚微的飛機結構帶來創新可能。

"開放式風扇結構實現了涵道布局永遠無法企及的涵道比，為飛機帶來顯著的性能提升，"GE Aerospace未來飛行技術副總裁赫格曼（Arjan Hegeman）解釋道。他提及該設計通過使更多氣流繞過燃燒室，從而實現更省油的推進效率。"我們堅信這將成為未來航空動力系統的方向。"一項耗資數十億歐元的跨國研發計劃，有望在2030年代中期將其變為現實。

重新審視航空旅行

開放式風扇發動機的概念既是對過往理念的回歸，也是一次跨越式創新。類似設計早在上世紀七八十年代就以無涵道風扇或槳扇發動機的形式出現，當時原型機較傳統渦扇發動機實現了30%的燃油效率提升。但隨著石油市場格局變動導致燃料價格下跌，這項技術的經濟驅動力隨之消失，相關研發計劃也被擱置。這項技術就此沉寂了數十年之久。

如今，先進復合材料、精密計算流體力學技術以及迫切的可持續發展需求，使得開放式風扇方案重新具備經濟可行性。現代碳纖維復合材料能夠承受早期設計無法應對的機械應力，超級計算機可實現前所未有的精確氣流模擬。以GE Aerospace為例，該公司在田納西州橡樹嶺國家實驗室使用全球最快的超級計算機Frontier進行模擬運算，每秒執行百億億次計算，以優化葉片的氣動性能與噪音特征。

與賽峰飛機發動機公司各持股50%的合資企業，正通過其RISE（可持續發動機革命性創新）計劃引領這項工作。該倡議是"清潔航空"聯合項目（Clean Aviation Joint Undertaking）的核心組成部分，這個由歐盟委員會與航空業合作伙伴共同發起的41億歐元公私合作項目，致力于研發更高能效的航空技術。"清潔航空"計劃力爭到2035年實現先進飛行器溫室氣體排放量減少至少30%，并設定了到2050年更換75%現役機隊的目標。當前研發工作聚焦于攻克一系列獨特的工程難題。

為最終實現開放式風扇發動機的商業化應用，工程師們正著力解決裸露旋轉葉片的安全隱患、優化噪聲特征等技術難題。賽峰集團透露已完成近200項風扇葉片機械測試，包括吞鳥試驗與振動耐久性評估。RISE計劃的風洞測試時長已達300小時且仍在持續。測試項目涵蓋全尺寸靜動態風扇葉片試驗、高速渦輪測試以及450多小時的混合電力系統驗證—這是清潔航空計劃推進的另一項創新技術，與開放式風扇設計結合后，不僅能提升能效還可降低飛行噪音。

全部研發工作將于2020年代末期進入集成階段——屆時，配備全尺寸、全功能開放式風扇發動機的空客A380飛行測試平臺將從法國圖盧茲騰空而起。"安全始終是我們設計和測試環節的首要考量，"賽峰集團工程、研究與技術執行副總裁皮埃爾·科糖索(Pierre Cottenceau)強調。

科唐索表示："要實現最高安全標準的設計，就意味著需要增強風扇葉片強度，并與飛機制造商協同確保機身能抵御任何可能的葉片故障。"他指出已投入使用的CFM公司LEAP發動機為開放式風扇設計奠定了基礎。"實際上我們基于LEAP風扇葉片的經驗值，已開展新型開放式風扇葉片的多年研發工作。"賽峰集團已對新型葉片設計進行了數百次測試?？铺扑餮a充道："我們會對葉片進行吞鳥和振動測試，以確保其能承受實際運行中的所有狀況。"這些技術突破的實現將為航空業帶來巨大效益。

氣動效能突破

開放式風扇效率的核心物理原理在于涵道比，即繞過發動機核心機與流經核心機的空氣比例。傳統涵道發動機存在一個限制：隨著風扇增大以提高涵道比，外圍涵道會成比例擴大，產生的阻力最終會抵消效率提升。涵道發動機的涵道比上限約為15比1。"開放式風扇結構移除了涵道，消除了這部分阻力，理論上可以無限擴大風扇尺寸，"赫格曼（Hegeman）解釋道。"唯一限制因素就是飛機上的實際安裝空間。"當前研究表明，開放式風扇發動機的涵道比可超過60比1——這將帶來巨大的能效提升。

其優勢遠不止于此。"開放式風扇設計使發動機極其耐用，"赫格曼表示。傳統發動機通過高溫高壓的核心機提升效率，而開放式風扇的主要效能提升則來自低溫低壓的風扇段，這減輕了零部件的負荷。"它的耐用性顯著提升，維護成本大幅降低，"赫格曼補充道。更高的耐用性意味著航空公司能減少維護需求并降低運營成本。結合最高可節省航空公司40%運營成本的燃油效率，其經濟性優勢將極具說服力。

空中客車公司推進工程負責人弗蘭克·哈塞爾巴赫表示："開放式風扇設計代表著發動機架構的根本性變革，從技術角度來看蘊含著諸多新機遇。將這種發動機架構整合至飛機存在重大挑戰，目前我們正在研究多種配置方案。"例如將風扇安裝在機翼前方而非下方，可優化機翼表面氣流以產生更大升力，從而進一步提升燃油效率。這類調整需要發動機制造商與飛機制造商之間開展緊密協作。

赫格曼表示："任何下一代推進系統都需要優化與飛機間更復雜的交互界面。"發動機與機身的緊密耦合將使乘客受益。例如，采用更大直徑發動機的革新機身設計，可能催生客艙空間更寬敞的飛機布局。赫格曼預測開放轉子發動機投入商用后，人們將觀察到明顯變化："飛機外觀會呈現新特征，發動機造型也將截然不同。"這種新型飛行體驗將實現更安靜的客艙環境，燃油效率顯著提升，同時大幅降低排放量。"

原文，1. 《Testing the open fan’s promise》；2. 《What is CFM RISE? Inside GE and Safran’s open fan engine for net-zero aviation》 ；3. 《Is open fan the future of aircraft propulsion?》

楊超凡